一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，包括以下步骤：测量透明导电薄膜样品的透射光谱及膜面反射光谱；建立包含德鲁得振子和洛伦兹振子的复合振子模型，并对该模型的参数及膜层厚度进行初始设置；进行遗传算法最佳值搜索，得模型参数及膜层厚度的最佳值，该膜层厚度的最佳值即薄膜样品的厚度；根据模型参数的最佳值生成最佳复合振子模型，并依次通过振子-介电常数转换、介电常数-光学常数转换得最佳光学常数，即薄膜样品的光学常数。该方法能够简单、快速、准确的获得透明导电薄膜光、电性能数据，降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法
本专利技术涉及光电材料领域，具体涉及一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法。
技术介绍
透明导电薄膜是一种既能导电又在可见光范围内具有高透过率的薄膜，这类薄膜包括金属薄膜、半导体氧化物薄膜等，如在建筑节能镀膜领域镀制透明金属银膜达到低辐射效果，在透明光电子器件制造领域，ITO(锡掺杂三氧化铟)薄膜用于液晶显示器件、AZO(铝掺杂氧化锌)用于薄膜太阳能电池的透明电极材料。透明导电薄膜材料的光学常数是反应材料光学性能的本质参数，其中折射率n与材料对光的反射能力相关，消光系数k体现了材料对光的吸收能力，相同厚度下材料消光系数越大，吸收的光能量越多，相应的透过率越低，而相同材料在消光系数确定，厚度越大，对光的吸收越多，但面电阻会降低，因此透明导电薄膜的光性能与电性能相互制约，而实际应用中希望透明导电薄膜达到可见光透过率更高，同时面电阻更小，因此综合分析薄膜光、电性能对于产品设计、工艺研究有重要意义。透明导电薄膜材料光学常数的折射率及消光系数能够间接体现材料的电阻率，厚度及消光系数直接影响到薄膜可见光透过率，因此测量透明导电薄膜光学常数及厚度是进行产品光、电性能设计的基础。目前，现有技术中对薄膜光学常数的测量可以使用椭偏方法，但椭偏仪设备成本较高，在使用上专业性也较强，数据分析时间长，而且椭偏方法是利用反射光信号进行分析，反射光所包含的信息对膜层吸收性能不敏感，因此椭偏方法在分析具有微弱吸收的透明导电薄膜的光学常数的消光系数存在局限性。另外，材料的电阻率由其载流子浓度和其运动能力即迁移速率决定，对于金属导体载流子是电子，半导体可以是电子或空穴，透明导电薄膜的载流子浓度和迁移速率也是评价薄膜微观电性能的重要指标，可以利用霍尔效应测试仪对其进行测试，但测试过程需要制备特殊尺寸样品，并需要在薄膜表面连接电极，且测试结果与样品制备及电极连接效果有很大关系，因此不能满足工厂连续、规模生产对产品性能测试分析的需求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，其目的是减少仪器操作及数据处理过程，快速准确的获得结果。本专利技术实施例提供了一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，包括以下步骤：(1)测量透明导电薄膜样品的透射光谱及膜面反射光谱，得到实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)；(2)建立包含德鲁得振子和洛伦兹振子的复合振子模型，并对该复合振子模型的参数及薄膜样品的膜层厚度进行初始设置；(3)以复合振子模型的参数及膜层厚度的初始设置为搜索起点，以实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)为搜索依据，进行遗传算法最佳值搜索，得到复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值，该膜层厚度的最佳值即为所述透明导电薄膜样品的厚度；(4)根据复合振子模型参数的最佳值利用复合振子模型生成最佳复合振子模型，根据该最佳复合振子模型得到载流子浓度及迁移速率微观电学性能；(5)将最佳复合振子模型通过振子-介电常数转换得到最佳介电常数；(6)将最佳的介电常数通过介电常数-光学常数转换得到最佳光学常数，即为所述透明导电薄膜样品的光学常数。作为优选，所述实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)为300～2500nm波长范围内的透射光谱及膜面反射光谱。作为优选，所述遗传算法最佳值搜索的步骤包括：(1)根据复合振子模型的参数及膜层厚度的初始设置生成初始种群，该初始种群中每个个体对应一组复合振子模型的参数及一个膜层厚度；(2)将种群内每个个体对应的复合振子模型通过振子-介电常数转换得到相应的种群内每个个体对应的介电常数；(3)将种群内每个个体对应的介电常数通过介电常数-光学常数转换得到相应的种群内每个个体对应的光学常数；(4)将种群内每个个体对应的光学常数和相应的膜层厚度通过导纳矩阵光谱计算方法，得到种群内每个个体对应的模型透射光谱TJ(λ)及模型膜面反射光谱RfJ(λ)；(5)将种群内每个个体对应的模型透射光谱TJ(λ)和模型膜面反射光谱RfJ(λ)与实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)通过评价函数进行比较，若满足遗传终止条件，则终止遗传过程，满足遗传终止条件的种群内个体所对应的一组复合振子模型的参数及一个膜层厚度即为复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值，若不满足遗传终止条件，则生成复合振子模型参数及膜层厚度的新种群，并重复步骤(2)至(5)，直至满足遗传终止条件，获得复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值。作为优选，所述复合振子模型是用函数的形式表示的介电常数随波长的变化关系，包括一个介电常数实部修正参数、一个极振子、一个德鲁得振子和三个洛伦兹振子；所述介电常数实部修正参数用于衡量在分析范围内介电常数实部的最小值；所述极振子用来衡量由远紫外光谱产生的能级跃迁吸收对介电常数实部的影响；所述德鲁得振子用来衡量由于自由电子在红外光谱频率范围与入射的红外光谱发生共振对介电常数的影响；所述三个洛伦兹振子分别用来衡量由远紫外光谱产生的能级跃迁吸收、近紫外-可见光谱区间的能级跃迁吸收和结构缺陷吸收、可见-近红外光谱区间的结构缺陷吸收对介电常数的影响。作为优选，所述复合振子模型的函数表达式为ε(E)＝ε1(E)-iε2(E)＝εeoffset+εpole(An,En,E)+εDrude(μe,Ne,E)+εLorentz(An1,En1,Br1,E)+εLorentz(An2,En2,Br2,E)+εLorentz(An3,En3,Br3,E)，该函数表达式表示介电常数ε随光子能量E的变化关系，光子能量E与波长λ的换算关系为E(eV)＝1240/λ(nm)；其中介电常数ε以复数形式表示，ε1为介电常数的实部，ε2为介电常数的虚部；εeoffset为介电常数实部修正参数；εpole(An,En,E)为极振子，参数An为该极振子振动强度、参数En为该极振子振动中心位置；εDrude(μe,Ne,E)为德鲁得振子，参数Ne为微观性能载流子浓度，μe为载流子的迁移速率；εLorentz(An1,En1,Br1,E)、εLorentz(An2,En2,Br2,E)和εLorentz(An3,En3,Br3,E)为三个洛伦兹振子，An为振动强度，En为振动中心位置，Br为振动半峰宽。作为优选，所述进行初始设置的复合振子模型参数为14个，包括一个介电常数实部修正参数εeoffset，两个关于极振子的参数An、En，两个关于德鲁得振子的参数Ne、μe，九个关于三个洛伦兹振子的参数An1、En1、Br1、An2、En2、Br2、An3、En3和Br3。作为优选，所述振子-介电常数转换包括以下步骤：将复合振子模型中德鲁得振子介电常数的实部、洛伦兹振子介电常数的实部、极振子介电常数的实部以及介电常数实部修正参数加和得复合振子模型的介电常数实部；将复合振子模型中德鲁得振子介电常数的虚部和洛伦兹振子介电常数的虚部加和得复合振子模型的介电常数虚部；复合振子模型的介电常数的实部和虚部即构成复合振子模型的介电常数。作为优选，所述初始种群和新种群中个体数为30-45个。作为优选，所述评价函数为模型透射光谱TJ(λ)和模型膜面反射光谱RfJ(λ)与实测透射光谱TC(λ)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)测量透明导电薄膜样品的透射光谱及膜面反射光谱，得到实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)；(2)建立包含德鲁得振子和洛伦兹振子的复合振子模型，并对该复合振子模型的参数及薄膜样品的膜层厚度进行初始设置；(3)以复合振子模型的参数及膜层厚度的初始设置为搜索起点，以实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)为搜索依据，进行遗传算法最佳值搜索，得到复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值，该膜层厚度的最佳值即为所述透明导电薄膜样品的厚度；(4)根据复合振子模型参数的最佳值利用复合振子模型生成最佳复合振子模型，根据该最佳复合振子模型得到载流子浓度及迁移速率微观电学性能；(5)将最佳复合振子模型通过振子‑介电常数转换得到最佳介电常数；(6)将最佳的介电常数通过介电常数‑光学常数转换得到最佳光学常数，即为所述透明导电薄膜样品的光学常数。

【技术特征摘要】
1.一种透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)测量透明导电薄膜样品的透射光谱及膜面反射光谱，得到实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)；(2)建立包含德鲁得振子和洛伦兹振子的复合振子模型，并对该复合振子模型的参数及薄膜样品的膜层厚度进行初始设置；(3)以复合振子模型的参数及膜层厚度的初始设置为搜索起点，以实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)为搜索依据，进行遗传算法最佳值搜索，得到复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值，该膜层厚度的最佳值即为所述透明导电薄膜样品的厚度；(4)根据复合振子模型参数的最佳值利用复合振子模型生成最佳复合振子模型，根据该最佳复合振子模型得到载流子浓度及迁移速率微观电学性能；(5)将最佳复合振子模型通过振子-介电常数转换得到最佳介电常数；(6)将最佳的介电常数通过介电常数-光学常数转换得到最佳光学常数，即为所述透明导电薄膜样品的光学常数。2.根据权利要求1所述的透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，其特征在于，所述实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)为300～2500nm波长范围内的透射光谱及膜面反射光谱。3.根据权利要求1所述的透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，其特征在于，所述遗传算法最佳值搜索的步骤包括：(1)根据复合振子模型的参数及膜层厚度的初始设置生成初始种群，该初始种群中每个个体对应一组复合振子模型的参数及一个膜层厚度；(2)将种群内每个个体对应的复合振子模型通过振子-介电常数转换得到相应的种群内每个个体对应的介电常数；(3)将种群内每个个体对应的介电常数通过介电常数-光学常数转换得到相应的种群内每个个体对应的光学常数；(4)将种群内每个个体对应的光学常数和相应的膜层厚度通过导纳矩阵光谱计算方法，得到种群内每个个体对应的模型透射光谱TJ(λ)及模型膜面反射光谱RfJ(λ)；(5)将种群内每个个体对应的模型透射光谱TJ(λ)和模型膜面反射光谱RfJ(λ)与实测透射光谱TC(λ)和实测膜面反射光谱RfC(λ)通过评价函数进行比较，若满足遗传终止条件，则终止遗传过程，满足遗传终止条件的种群内个体所对应的一组复合振子模型的参数及一个膜层厚度即为复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值，若不满足遗传终止条件，则生成复合振子模型参数及膜层厚度的新种群，并重复步骤(2)至(5)，直至满足遗传终止条件，获得复合振子模型参数的最佳值及膜层厚度的最佳值。4.根据权利要求1或3所述的透明导电薄膜光学常数及厚度的测量方法，其特征在于，所述复合振子模型是用函数的形式表示的介电常数随波长的变化关系，包括一个介电常数实部修正参数、一个极振子、一个德鲁得振子和三个洛伦兹振子；所述介电常数实部修正参数用于衡量在分析范围内介电常数实部的最小值；所述极振子用来衡量由远紫外光谱产生的能级跃迁吸收对介电常数实部的影响；所述德鲁得振子用来衡量由于自由电子在红外光谱频率范围与入射的红外光谱发生共振对介电常数的影响；所述三个洛伦兹振子分别用来衡量由远紫外光谱产生的能级跃迁吸收、近紫外-可见光谱区间的能级跃迁吸收和结构缺陷吸收、可见-近红外光谱区间的结构缺陷吸收对介...

【专利技术属性】
技术研发人员：余刚，汪洪，
申请(专利权)人：中国建筑材料科学研究总院，
类型：发明
国别省市：北京;11